CN108174428A - 山体滑坡无线监测预警系统 - Google Patents

山体滑坡无线监测预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了山体滑坡无线监测预警系统，包括依次通信连接的山体滑坡无线监测装置、基站和监测终端；山体滑坡无线监测装置包括传感器节点、数据处理节点、通信节点，传感器节点用于对山体环境监测数据进行采集，并将采集的山体环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对山体环境监测数据进行压缩处理后将压缩后的山体环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的山体环境监测数据，并将收集的山体环境监测数据沿最优路由路径发送至基站，进而由基站汇聚山体环境监测数据并传送至监测终端加以集中处理、存储和显示。本发明实现了对山体滑坡的无线监测。

Description

山体滑坡无线监测预警系统
技术领域
本发明涉及山体滑坡灾害监测领域，具体涉及山体滑坡无线监测预警系统。
背景技术
传统的山体滑坡监测预警系统的山体环境监测数据通常采取有线方式传输，但是山区地理调节复杂，线路架设困难，不方便实现对整个滑坡山体滑坡监测区域进行大范围的节点布置，不可保证数据采集的深度，不能为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，从而不能自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。
发明内容
针对上述问题，本发明提供山体滑坡无线监测预警系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了山体滑坡无线监测预警系统，包括依次通信连接的山体滑坡无线监测装置、基站和监测终端；所述的山体滑坡无线监测装置包括传感器节点、数据处理节点、通信节点，传感器节点用于对山体环境监测数据进行采集，并将采集的山体环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对山体环境监测数据进行压缩处理后将压缩后的山体环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的山体环境监测数据，并将收集的山体环境监测数据沿最优路由路径发送至基站，进而由基站汇聚山体环境监测数据并传送至监测终端加以集中处理、存储和显示。
本发明的有益效果为：以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡无线传感器监测网络，不需要大量布线就能实现对山体滑坡监测区域的远程实时监测，并通过监测终端和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程无线监控和预警工作。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明一个实施例的山体滑坡无线监测预警系统结构示意框图；
图2是本发明一个实施例的监测终端的结构示意框图。
附图标记：
山体滑坡无线监测装置1、基站2、监测终端3、报警装置4、收发器10、处理器12、存储器14、显示器16。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供的山体滑坡无线监测预警系统，包括依次通信连接的山体滑坡无线监测装置1、基站2和监测终端3。
其中，山体滑坡无线监测装置1用于采集、处理山体环境监测数据并将处理后的山体环境监测数据传送到基站2，进而由基站2将接收到的山体环境监测数据传送到监测终端3加以集中处理、存储和显示。
所述的山体滑坡无线监测装置1包括传感器节点、数据处理节点、通信节点，传感器节点用于对山体环境监测数据进行采集，并将采集的山体环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对山体环境监测数据进行压缩处理后将压缩后的山体环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的山体环境监测数据，并将收集的山体环境监测数据沿最优路由路径发送至基站2，进而由基站2汇聚山体环境监测数据并传送至监测终端3加以集中处理、存储和显示。
可选地，如图2所示，所述的监测终端3包括收发器10、处理器12、存储器14、显示器16，所述处理器12电连接收发器10、存储器14和显示器。其中，所述的收发器10可接收基站2传送的山体环境监测数据，并把山体环境监测数据发送至处理器12，所述的处理器12用于对山体环境监测数据进行处理，将山体环境监测数据与其存储器14中存储的对应标准阈值进行比较分析，输出分析结果；所述的存储器14主要用于存储山体环境监测数据、标准阈值，所述的显示器16用于显示山体环境监测数据以及处理器12的分析结果。
可选地，所述的处理器12在山体环境监测数据超出其存储器14中存储的对应标准阈值时输出该山体环境监测数据为异常的分析结果。
可选地，山体滑坡监测预警系统还包括与处理器12通信连接的报警装置4。所述的报警装置4在山体环境监测数据为异常时启动报警。
可选地，所述的报警装置4包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。
可选地，传感器节点包括传感器和通信模块，其中传感器类型有：倾角传感器、液位传感器、位移传感器以及加速度传感器。
本发明上述实施例中，以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡无线传感器监测网络，实现对山体滑坡监测区域的远程实时监测，并通过监测终端3和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。
可选地，多个传感器节点、数据处理节点、通信节点皆随机部署于设定的山体监测区域内。为了得到山体滑坡监测区域的实时有效信息，在山体滑坡监测区域安放大量的传感器节点测量山体位移值和加速度值，由于山体滑坡主要是由地下水侵蚀产生，因此，地下水位深度是显示山体滑坡危险度的重要指标，通过现场打孔，由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并通过通信模块发送液位值。山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同，发生这种现象时，部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据，通过倾角传感器可以监测山体的运动状况。
在一个实施例中，传感器节点将采集的山体环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点，具体包括：
(1)初始时，传感器节点与其通信范围内的各个数据处理节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各数据处理节点的信息；
(2)根据获取的信息计算其通信范围内各数据处理节点的优选值；
(3)对各数据处理节点按照优选值由大到小的顺序进行排序，生成邻居数据处理节点列表；
(4)在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，将采集的山体环境监测数据直接发送至该目的节点；
其中，优选值的计算公式为：
式中，Eij表示位于传感器节点i通信范围内数据处理节点j的优选值，ri为传感器节点i的通信半径，L(i,j)为传感器节点i与该数据处理节点j之间的距离，rij为该数据处理节点j的通信半径，K(rij/2)为在数据处理节点j的rij/2通信范围内具有的通信节点个数，rik为传感器节点i通信范围内第k个数据处理节点的通信半径，K(rik/2)为在该第k个数据处理节点的rik/2通信范围内具有的通信节点个数，mi为传感器节点i通信范围内具有的数据处理节点的个数，β1、β2为人为设定的权重系数。
相关技术中，传感器节点通常是将当前剩余能量最大或者距离最近的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，从而均衡节点能耗或者减少山体环境监测数据传输的成本，然而这种方式不能够得到均衡节点能耗和减少山体环境监测数据传输的成本的最优化。
基于相关技术中不能够得到均衡节点能耗和减少山体环境监测数据传输的成本的最优化的缺陷，本实施例从数据处理节点与传感器节点间的距离、数据处理节点周边通信节点的聚集情况两个角度出发，制定了优选值的计算公式，通过优选值来选择下一跳节点。
由于距离较短则山体环境监测数据传输的通信成本越小，数据处理节点附近通信节点越多则压缩山体环境监测数据转发成功的概率越大，本实施例设定的优选值可以很好地衡量数据处理节点在承担山体环境监测数据接收和压缩任务方面的位置优势的优良。
本实施例首先通过优选值的计算确定邻居数据处理节点列表，然后从在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，使得传感器节点能够首先选择满足能量要求且当前位置优势最好的数据处理节点来承担山体环境监测数据接收和压缩任务，有益于使传感器节点到数据处理节点之间的山体环境监测数据传输的通信成本更小化，并尽可能地均衡节点能耗。
在一个实施例中，在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，具体为：判断邻居数据处理节点列表中第一个数据处理节点的当前剩余能量是否大于设定的最小能量值，若大于设定的最小能量值，则该数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，若不大于设定的最小能量值，判断邻居数据处理节点列表中下一个数据处理节点的当前剩余能量是否大于设定的最小能量值，以此类推，直至确定山体环境监测数据发送的目的节点。
本实施例给出了在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点的具体方式，该方式简单快捷。
在一个实施例中，传感器节点将采集的山体环境监测数据持续发送至目的节点，当该目的节点的当前剩余能量小于设定的最小能量值时，传感器节点重新在邻居数据处理节点列表中选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点。本实施例考虑了当前的数据处理节点的能量损耗情况，能够保障山体环境监测数据从传感器节点传输到数据处理节点的稳定性。
在一个实施例中，数据处理节点将压缩后的山体环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，具体包括：
(1)初始化时，数据处理节点与其通信范围内的各个通信节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各通信节点的信息；
(2)根据获得的信息计算各通信节点的位置权值；
(3)根据位置权值由大到小的顺序对各通信节点进行排序，根据排序选择前λ个通信节点作为待选通信节点，生成待选通信节点列表；
(4)在将山体环境监测数据进行压缩后，向待选通信节点列表中的通信节点发送请求转发数据的消息，满足转发条件的通信节点在收到该消息后返回响应消息，在返回响应消息的多个通信节点中选择当前剩余能量值最大的作为目的节点，与目的节点建立数据转发关系，将压缩后的山体环境监测数据发送到该目的节点。
其中，位置权值的计算公式为：
式中，Ωab表示数据处理节点a通信范围内的通信节点b的位置权值，L(a,b)为数据处理节点a与其通信范围内的通信节点b之间的距离，L(b,sink)为所述通信节点b到基站2的距离，y1、y2为预设的权重系数。
其中，所述的转发条件为：
当前剩余能量大于设定的最小能量值，且建立数据转发关系的数据处理节点个数小于设定的最大个数值。
现有技术中一般选择距离较近且当前剩余能量较大的通信节点来转发数据，这种方式使得距离较近且当前剩余能量较大的通信节点承担过多的数据转发任务，容易导致该通信节点失效。相对于现有技术，本实施例设定了数据处理节点到通信节点的路由协议，其中设定了位置权值的计算公式和转发条件，距离数据处理节点和基站2越近的通信节点具有更大的位置权值，因此该位置权值可以很好地衡量通信节点在进行压缩山体环境监测数据转发方面的位置优势的优良。
本实施例通过选择位置权值较大的几个通信节点作为待选通信节点，并进一步以转发条件来限制已承担过多的数据转发任务的通信节点不再与数据处理节点建立数据转发关系，能够在保障通信节点不容易失效的前提下尽可能节省压缩山体环境监测数据转发通信成本和均衡能耗，有益于保障山体滑坡无线监测预警系统稳定运行，延长山体环境监测数据采集的工作周期。
在一个实施例中，通信节点的最优路由路径由基站2进行设定，具体为：
(1)基站2获取通信节点Φ到基站2的多条路由路径及相关信息，其中相关信息包括路由路径经过的通信节点信息和链路状态信息；
(2)根据获得的多条路由路径及相关信息，用改进的粒子群算法对路由路径进行优化，最终得到最优路由路径；
(3)将路由路径回复信息沿最优路由路径发送给通信节点Φ，并更新通信节点Φ的路由表，其中路由路径回复信息包括最优路由路径的信息，从而通信节点Φ根据路由路径回复信息得到的最优路由路径发送山体环境监测数据。
其中，所述的改进的粒子群算法包括：
(1)将一条路由路径看成一个维数为n的粒子，其中n为该路由路径经过的通信节点总个数，用获取到的多条路由路径作为初始粒子群；
(2)按照下列适应度函数计算每个粒子的适应值，根据粒子适应值确定个体极值和全局极值：
式中，Pd表示初始粒子群中第d条路由路径，W(Pd)表示路由路径Pd的适应值，Q(Pd)为路由路径Pd中能量最小的通信节点的当前剩余能量，Q(Pu)为路由路径Pu中能量最小的通信节点的当前剩余能量，2为初始粒子群中的路由路径总条数，cost(Pd)表示路由路径Pd的链路开销，v1、v2为预设的权重系数，分别表示能量、链路开销影响的权重；
(3)设置全局极值对应的路由路径为全局最优路径，找到当前路由路径与全局最优路径相交的通信节点，用集合J表示，若J为空，即当前路由路径与全局最优路径无相交的通信节点时，则在当前路由路径随机两个相间隔的通信节点的共同邻居中找到属于全局最优路径的通信节点，替换当前的该随机两个通信节点的中间通信节点，若没有找到更优的通信节点，则不进行替换操作；
(4)当J不为空时，J中的通信节点将当前路由路径与全局最优路径分成了若干个路径段，将当前路由路径与全局最优路径进行对比，当当前路由路径中存在一个路径段与全局最优路径对应的路径段不同时，用全局最优路径中的路径段代替当前路由路径的对应的路径段；
(5)更新个体极值和全局极值，直至迭代更新次数大于设定的更新次数阈值。
现有技术中的粒子群算法具有易于描述、便于实现、参数少、群体规模小、收敛需要评估函数的次数少、收敛速度快等优点。然而，现有技术中的粒子群算法不能直接用来确定最优路由路径，一是因为本实施例中的每个粒子具有不同的维数，不适用粒子群算法中粒子维数相同的条件，二是因为现有的粒子群算法对粒子速度和位置的更新是根据运动方程中的加减法运算实现的，本实施例中由通信节点集组成的路由路径无法实现加减法的运算，基于此，本实施例对现有的粒子群算法进行改进，提出了一种改进的粒子群算法，并利用改进的粒子群算法解决了本实施例寻找最优路由路径的问题。
另外，本实施例基于能量和链路开销两个因素制定了适应值的计算公式，能够保证能耗均衡，由基站2通过本实施例的方式来确定最优路由路径，可有效地减少通信节点的负担和链路状态信息获取的能量成本，在整体上节省山体滑坡无线监测预警系统的能量成本。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，包括依次通信连接的山体滑坡无线监测装置、基站和监测终端；所述的山体滑坡无线监测装置包括传感器节点、数据处理节点、通信节点，传感器节点用于对山体环境监测数据进行采集，并将采集的山体环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点；数据处理节点对山体环境监测数据进行压缩处理后将压缩后的山体环境监测数据发送给其通信范围内的一个通信节点，通信节点用于收集多个数据处理节点的山体环境监测数据，并将收集的山体环境监测数据沿最优路由路径发送至基站，进而由基站汇聚山体环境监测数据并传送至监测终端加以集中处理、存储和显示。
2.根据权利要求1所述的山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，所述的监测终端包括收发器、处理器、存储器和显示器，所述处理器电连接收发器、存储器和显示器。
3.根据权利要求2所述的山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，还包括与处理器通信连接的报警装置。
4.根据权利要求3所述的山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，所述的报警装置包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。
5.根据权利要求1-4任一项所述的山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，传感器节点将采集的山体环境监测数据发送至其通信范围内的一个数据处理节点，具体包括：
(1)初始时，传感器节点与其通信范围内的各个数据处理节点进行信息交互，从而获取其通信范围内的各数据处理节点的信息；
(2)根据获取的信息计算其通信范围内各数据处理节点的优选值；
(3)对各数据处理节点按照优选值由大到小的顺序进行排序，生成邻居数据处理节点列表；
(4)在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，将采集的山体环境监测数据直接发送至该目的节点；
其中，优选值的计算公式为：
式中，Eij表示位于传感器节点i通信范围内数据处理节点j的优选值，ri为传感器节点i的通信半径，L(i,j)为传感器节点i与该数据处理节点j之间的距离，rij为该数据处理节点j的通信半径，K(rij/2)为在数据处理节点j的rij/2通信范围内具有的通信节点个数，rik为传感器节点i通信范围内第k个数据处理节点的通信半径，K(rik/2)为在该第k个数据处理节点的rik/2通信范围内具有的通信节点个数，mi为传感器节点i通信范围内具有的数据处理节点的个数，β1、β2为人为设定的权重系数。
6.根据权利要求5所述的山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，在邻居数据处理节点列表选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，具体为：判断邻居数据处理节点列表中第一个数据处理节点的当前剩余能量是否大于设定的最小能量值，若大于设定的最小能量值，则该数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点，若不大于设定的最小能量值，判断邻居数据处理节点列表中下一个数据处理节点的当前剩余能量是否大于设定的最小能量值，以此类推，直至确定山体环境监测数据发送的目的节点。
7.根据权利要求6所述的山体滑坡无线监测预警系统，其特征是，传感器节点将采集的山体环境监测数据持续发送至目的节点，当该目的节点的当前剩余能量小于设定的最小能量值时，传感器节点重新在邻居数据处理节点列表中选择在前的且满足基本能量要求的数据处理节点作为山体环境监测数据发送的目的节点。
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